本文基於回答網友類似的問題,見截圖:
簡單回答:光會以無限接近直線的方式射出。
光線會受到引力拉扯而彎曲,但引力源必須非常巨大,地球的引力太小了,對每秒約30萬千米的光來說基本可以忽略不計。
這是因為地球引力對光來說太小了
萬有引力對一切帶有電磁作用力的物質都起作用,光是電磁作用力範疇,而且光子是電磁輻射的媒介,當然也受到引力影響了。而且光子雖然沒有靜質量,卻有動質量,引力是質量對時空扭曲導致的現象,因此光受到引力所用就順理成章了。
愛因斯坦廣義相對論認為,任何有質量的物體,都會扭曲周邊時空,小質量小扭曲,大質量大扭曲,由於物體的運動,形成的時空曲率方式多種多樣,但總體上就像在自身周圍形成一個漩渦或陷阱,任何物體經過這個漩渦或陷阱就會受到影響。
越大的天體形成的曲率越大,漩渦或陷阱就越深越強烈,接近的小天體就有掉落到這個陷阱或漩渦的趨勢,如果速度不快,就會掉入深淵,表現出來就是被引力拉拽,最終掉落到大天體上。
前面提到的速度,是指速度越快的物體,逃脫引力漩渦或陷阱的概率就越大,逃出一個天體引力陷阱的速度叫逃逸速度。計算逃逸速度的公式表達為:v=√(2GM/R),這裡的v就是逃逸速度,G為引力常量,M為天體質量,R為逃離物體與天體質心距離。
地球質量約6*10^24kg,半徑約6371km,根據公式我們可以計算出,地球表面的逃逸速度約11.2km/s。也就是說,在地球表面,只要達到每秒11.2公里的速度,就能夠逃離地球引力。而光速是每秒30萬公里,是11.2公里約2.7萬倍,地球這點引力對光來說幾乎可以忽略不計。
太陽質量是地球的33萬倍,表面逃逸速度為617km/s,對每秒30萬公里的光也影響甚微,否則太陽的光芒豈不就一直圍着太陽轉圈了,怎麼能夠來到地球呢?但太陽引力畢竟比地球大多了,因此許多科學家在日全食時觀測經過太陽附近的星光,發現偏轉約1.66",與愛因斯坦廣義相對論的計算基本吻合。
因此,手電筒射向天空的光會基本接近完全直線。在量子力學裡面,可見光是由光量子組成,而光量子具有波粒二象性。光子的壽命沒有定論,但多數人認為,壽命無限長,那麼這束電筒射出的光,理論上就會永遠在宇宙中飄蕩。
事實果真如此嗎?非也。實際上,這束光射出去後,僅需幾秒鐘,就完全消散了,不見了。導致這束光消散的原因大致有三個:1、光子與其他粒子碰撞,發生相互作用改變了軌跡;2、電筒光的散射,光子被稀釋分散了;3、隨着距離拉遠和宇宙膨脹效應,光波逐漸被拉長,成為不可見的電磁波。
下面我們就這三個方面原因討論一下:
光子遇到其他粒子會發生散射、衍射、吸收和轉化
理論上,光射出去後,即便你關閉了手電筒,這束光也會像射出的炮彈一樣,如果沒有任何阻擋的話,就會一直飛下去。炮彈因為速度很低,在地球上會被重力拉扯,還會被空氣阻力阻擋,因此其飛行軌跡是一個拋物線,飛不了多遠就落下來。
但光子速度為每秒30萬千米,地球引力幾乎可以忽略不計,因此會一直飛下去,除非遇到阻擋。事實上,光射出去後,一路上的確有許多障礙。在大氣層里,主要是大氣分子、塵埃的阻擋。
當光子遇到各種物質粒子時,就會發生反射、衍射、散射或吸收,一束光就會不斷衰減。
手電筒向天空射出的光,首先要經過稠密的大氣層,地表大氣密度為1.293kg/m^3,每立方厘米含有大氣分子約2.6875*10^19個,也就是約17億億個,光子在這樣濃密的大氣中穿行,當然會被吸收消減得很快。
當遇到反射、折射、衍射時,光就改變了方向,自然就不會順着原定路線走了,這樣光就減弱了;當光子撞擊到大氣分子或任何原子的電子時,能量就會被電子吸收,電子得到了額外的能量就會處於激發態,躍遷到更高能級,之後沒有更多的能量補充,又會躍遷回到原來的能級,同時釋放出一個光子。
但這個光子已經不是原來的光子了,發射的方向也不是過去的線路了,因此我們就可以認為這個過去的光子消散了。
即便到達太空,也不是絕對真空,也還有稀少的粒子存在,光子還會與這些粒子發生相互作用而轉化。由此,這束光最終會消失殆盡。
光子還會由於電筒光斑擴散而被稀釋
手電筒雖然有聚光裝置,但聚光能力較弱,射出的光是不斷擴散的,而且與距離成正比。不同的手電筒發光能量不一樣,聚光能力不一樣,我們以一個發光功率為10瓦,聚光射角為10°的手電筒為例來計算一下。
一個10瓦功率的燈泡,產生的能量為10J/s(焦耳/秒)。光子能量E=hc/λ,也就是等於普朗克常數乘以光速除以波長。
可見光是電磁波譜裡面一個很狹窄的波段,波長約在380nm(納米)到760nm之間,我們取一個平均值為570nm。根據光子能量公式計算,得到每個波長為570nm的光子能量約為3.5*10^-19J。這樣這束手電筒射出的10J/秒能量的光,光子總量約為2.86*10^19個,就是28.6億億個光子。
手電筒射出的光以10度角不斷擴散,光斑就會不斷擴大,光子就會被稀釋。射出30米時光斑半徑約2.5米,3公里時光斑半徑就有250米;300公里時光斑半徑就有25公里;3000公里時光斑直徑就有250公里了。
這時,即便所有的光子都沒有衰減,每平方米還有多少光子呢?我們按圓面積公式計算一下,得知在距離手電筒3000公里時,光斑面積已經有約196349540849平方米,每平方米光子數還有約1.46億個。如果人眼捕捉光斑面積為1厘米的話,那麼每秒鐘就還有145個光子進入視網膜,雖然已經很微弱了,但還是能看到。
但在地球上,手電筒光走這麼遠是不可能的,稠密的空氣早就會將這束光衰減沒了,即便留下個別光子,人眼也很難感知到。
但即便在太空,這束光也傳播不了1秒鐘,因為光速是1秒30萬公里,在30萬公里的地方,這束光的擴散半徑就達到了25000公里了,光斑面積就有1963495408493621平方米,每平方米的光子數就只有14566個,1平方厘米的光子數就只有不到0.015個光子了。
實際上,在手電筒光傳播0.1秒,行程3萬公里時,每秒能夠進入人眼的光子只有不到1.5個了。對於人眼來說,一般要有6個光子才能感光,特別好的視力也需要3個光子,1.5個光子已經看不到了。
普通光源本身性質就是向四面八方發散的,人們給光源裝上一個聚光裝置,才能讓光向一個方向傳遞,手電筒光源一般都是普通光源,因此無法傳播更遠。激光則是天生向一個方向傳播的光源,發散度很小,大約只有0.001弧度,因此就能夠射得更遠。
上世紀登月時宇航員們在月球上安置了幾個激光反射裝置,科學家們在地球上將激光發射到這個反射裝置上,再接收反射回來的激光,根據發射和返回花去的時間,就能夠精準測量出地球與月球的表面距離。
當然,發射和接收裝置都必須採用望遠鏡,依靠人眼是無法完成的。理論上,望遠鏡的主鏡面積越大,聚焦得到的光子就越多,就能夠看得越遠。這裡就不展開說了。
光速遠離和宇宙膨脹導致光波拉長成不可見光
我們知道宇宙在膨脹,距離越遠則膨脹越快,光速在遠離我們以及宇宙膨脹過程中,波長會發生多普勒效應。所謂光的多普勒效應,就是光源向著我們運動,就會被壓縮頻率和波長,而與我們背道而馳時,就會降低頻率和拉伸波長。
可見光是複合光,也就是由多種顏色組成的光,且可以通過稜鏡形成色散,波長從長到短大約分成紅橙黃綠青藍紫等顏色,波長拉長就是往紅端移動,波長縮短就會向藍端移動。
這樣,遠離我們而去的光就會形成紅移,加上宇宙膨脹,這種紅移量就會越來越大,最後移出人眼能看到的760nm波長範圍,成為紅外線或無線電波,紅外線以上波長的電磁波,人眼是看不到的。
這也是人們製造望遠鏡除了有光學結構的,還有無線電、紅外、紫外和X射線、伽馬射線等不同電磁波波段的望遠鏡,這樣觀測遠方暗弱天體,就可以彌補人類眼睛感光的不足。
因此,電筒射出的光在宇宙中會很快消失,理論上雖然有部分光子可能永久存在,但人們要捕捉到它就很難了,在很遠的地方,即便捕捉到一個光子,也難以分辨是從哪裡來的,是什麼物體發出的了。
但如果一個巨大的恆星或星系,由於其發出的光子量實在太大了,且其中包含能量很強的X射線、γ射線,因此即便距離我們100多億光年,也會被人類看到。不過不是僅憑肉眼,而是依靠各種大型精密的望遠鏡,還需要利用宇宙中的引力透鏡,才能夠觀測到。
宇宙微波背景的光子,就是在宇宙大爆炸38萬年後發出的,已經走了138億年,雖然很微弱,還是被科學家們捕捉到,這說明光子的壽命是超長的。
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